DE102004002386A1

DE102004002386A1 - Antriebsanordnung für Hilfsaggregate

Info

Publication number: DE102004002386A1
Application number: DE102004002386A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Lewkowicz
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-08-11
Also published as: WO2004108463A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für pneumatische oder hydraulische Hilfsaggregate oder für ein Kühlaggregat mit einem Kompressor, das in einem mit einem Fahrantriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeug angeordnet ist und Teil eines Temperaturregelkreises bildet. Die Temperaturregelung erfolgt üblicherweise in Form einer Zweipunktregelung. Dadurch erfolgt ein häufiges Ein- und Ausschalten des Kompressors in einem Regelspiel, wobei Sprünge im Lastmoment auftreten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen Antriebsanordnung die Hilfsaggregate unabhängig von dem Fahrantriebsmotor zu betreiben. Zu diesem Zweck ist das Hilfsaggregat mit einer von Fahrantriebsmotor unabhängigen, thermisch drehzahlgeregelten Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung gekuppelt. Mit der Hilfsantriebseinheit ist eine elektrische Maschine gekuppelt, über die als Generator eine Batterie aufladbar ist. Es ist eine Drehzahlregelung vorgesehen, durch welche bei Lastschwankungen, die z. B. durch Einschalten eines Kompressors auftreten, zur Konstanthaltung der Drehzahl der Hilfsantriebseinheit zusätzlich zu der thermischen Drehzahlregelung ein Zusatzmoment durch die elektrische Maschine und die Batterie erzeugbar ist. Dadurch wird es möglich, für den Antrieb des Hilfsaggregats eine schadstoffarme aber träge Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung zu verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Hilfsaggregat. Dieses kann ein Kühlaggregat mit einem Kompressor sein, das in einem mit einem Fahrantriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeug angeordnet ist und Teil eines Temperaturregelkreises bildet. Zusätzlich kann auch ein Kompressor eines pneumatischen Systems oder die Pumpe eines hydraulischen Systems anzutreiben sein.
Viele Kraftfahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen, Busse oder Campingfahrzeuge, enthalten eine Klimaanlage. Die Klimaanlage weist ein Kühlaggregat mit einem Kompressor auf. Der Kompressor des Kühlaggregats wird üblicherweise von dem Fahrantriebsmotor des Kraftfahrzeugs mit angetrieben. Das hat allerdings den Nachteil, daß das Kühlaggregat nur arbeitet, wenn der Fahrantriebsmotor läuft. Dann muss auch bei stehendem Fahrzeug der Fahrantriebsmotor in Betrieb bleiben, wenn eine Kühlung erforderlich ist. Es gibt auch Kühlwagen, bei denen eine Kühlkammer mit einer zu kühlenden Fracht durch ein Kühlaggregat gekühlt wird. Hierbei werden separate Kühlaggregate mit eigenem kleinen Verbrennungsmotor an der Außenseite des Fahrzeugs betrieben. Die Temperaturregelung erfolgt üblicherweise in Form einer Zweipunktregelung. Der Kompressor des Kühlaggregats wird eingeschaltet, wenn eine bestimmte obere Temperatur überschritten wird, und wird ausgeschaltet, wenn eine bestimmte untere Temperatur unterschritten wird. Dadurch erfolgt ein häufiges Ein- und Ausschalten des Kompressors in dem Regelspiel. Da der Kompressor ein erhebliches Antriebsdrehmoment benötigt, treten entsprechende Lastsprünge auf. Diese Lastsprünge führen zu erheblichen Drehzahlschwankungen des Antriebs.
Ebenso sind viele Nutzfahrzeuge mit hydraulischen oder pneumatischen Systemen ausgestattet, die Zusatzaufgaben übernehmen. Beispielhaft sei eine Hubeinrichtungen zum Be- und Entladen eines Lkw aufgeführt. Normalerweise werden die Kompressoren und Pumpen dieser Systeme entweder direkt vom Fahrantrieb oder über einen, aus der Batterie gespeisten, Elektromotor angetrieben. Bei dem Einschalten eines solchen Zusatzsystems wird der Antrieb mit einem hohen Moment belastet, es treten Lastsprünge auf, welche wiederum zu Drehzahlschwankungen führen.
Bei einem bekannten System wird ein Motor mit interner Verbrennung, zum Beispiel ein Otto- oder Diesel-Motor über die Kurbelwelle mit einem als ISAD (Integrated Starter Alternator Damper) bezeichneten elektrischen System verbunden. ISAD hat drei Funktionen. Im Generatorbetrieb erzeugt es Strom, der in eine Batterie eingespeist werden kann. In seiner Funktion als batteriebetriebene elektrische Maschine kann ISAD die Kurbelwelle beim Startvorgang des Motors gleich bis auf die Leerlaufdrehzahl antreiben und so u. a. zur Emissionsreduzierung beitragen. Hier arbeitet das ISAD immer entweder vollständig bei laufendem Motor als Generator oder vollständig als Antrieb während der Startphase. Weiterhin hat die elektrische Maschine eine Dämpfungsfunktion zur aktiven Dämpfung von unerwünschten Drehzahlschwankungen die zu Vibrationen führen.

Aus der DE 197 04 153 C2 ist eine ISAD-Anordnung bekannt, bei welcher eine Leerlauf-Steuerung vorgesehen ist, mit welcher neben der Drehzahlregelung auch Drehmomentsprünge durch Überlagerung eines Drehmoments ausgeglichen werden. Die Drehmomentsprünge können z.B. durch Aufschaltung einer Klimaanlage hervorgerufen werden. Bei dieser Anordnung erfolgt die Aufschaltung der Klimaanlage auf die Kurbelwelle des Fahrzeugmotors mit interner Verbrennung und hoher Leistung.

Es sind Hilfsantriebseinheiten (APU = Auxiliary Power Unit) bekannt, die unabhängig von dem Fahrantriebsmotor arbeiten. Diese Hilfsantriebseinheiten haben eine geringere Leistung als der Fahrantriebsmotor. Solche Hilfsantriebseinheiten können mit günstigerem Wirkungsgrad und geringerer Umweltbelastung z.B. einen Generator für die Stromerzeugung antreiben. Die Hilfsantriebseinheiten sind üblicherweise Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung. Es gibt aber auch Hilfsantriebseinheiten, die mit äußerer Verbrennung und z.B. einer Dampfinaschine arbeiten, wie US 6,508,060 B2 zeigt. Auch sind APUs bekannt, die qualitäts- oder quantitätsgeregelt sind und dem Prinzip der inneren Verbrennung folgen.

Eine bekannte Hilfsantriebseinheit dieser Art weist einen geschlossenen Kreislauf mit einem Tank, einer Speisepumpe, einem Dampferzeuger, einer von dem Dampf angetriebenen Dampfinaschine und einem Kondensator auf, von welchem das kondensierte Wasser wieder in den Tank zurückfließt. Der Dampferzeuger wird mittels eines Brenners beheizt. Eine solche Hilfsantriebseinheit lässt sich sehr schadstoffarm betreiben. Die Leistungs- und Drehzahlregelung der Hilfsantriebseinheit erfolgt thermisch durch Veränderung der Brennerleistung und dem von der Speisepumpe zugeführten Wasserstrom.

Es sind unter der Bezeichnung „Ultra Cap" Kondensatoren sehr hoher Kapazität bekannt. Solche „Ultra Cap"-Kondensatoren sind elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren, die aus zwei Elektroden aus Aktivkohle bestehen, welche in einen Elektrolyten eingetaucht sind. Wenn die Elektroden chemisch aufgeladen sind, bewegen sich die Ionen des Elektrolyten unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zu den Elektroden entgegengesetzter Ladung hin. In dem geladenen Zustand befindet sich ein Teil der Anionen und Kationen in einer Grenzschicht vor den Elektroden, so daß sie den Ladungsüberschuß in der Aktivkohle kompensieren. Somit ergeben sich an den Phasengrenzen zwischen Kohle und Elektrolyt zwei schichten von Ladungsüberschuß von entgegengesetzter Polarität. Man bezeichnet das als elektrochemische Doppelschicht. Der hohe Energieinhalt von „Ultra Caps" beruht auf dem Aktivkohle-Elektrodenmaterial, welches eine extrem hohe spezifische Oberfläche von etwa 2000 m²/g besitzt, und dem extrem kurzen Abstand zwischen den entgegengesetzten Ladungen des Kondensators, der in der Größenordnung von wenigen nm liegt. Damit können Kapazitäten von einigen tausend Farad erzeugt werden. Ultra Caps besitzen einen sehr geringen Innenwiderstand. Solche „Ultra Cap"-Doppelschichtkondensatoren werden von der EPCOS AG, München vertrieben.

Durch die DE 101 03 995 A1 ist eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren mit einem Startgenerator und einem Akkumulator bekannt, der eine erste Bordspannung liefert. Ein Kurzzeitspeicher in Form eines Doppelschichtkondensators erzeugt eine zweite Bordspannung und liefert die Startleistung für den Startgenerator. Über einen uni- oder bidirektionalen Wandler wird der Doppelschichtkondensator aus dem Akkumulator aufgeladen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art mit einem Temperaturregelkreis das Kühlaggregat mit Kompressor unabhängig von dem Fahrantriebsmotor zu betreiben. Eine vergleichbare Aufgabenstellung ergibt sich wenn man bei einer Anordnung der eingangs genannten Art ein pneumatisches bzw. hydraulisches Hilfsaggregat betreiben will.

Da die Lastsprungcharakteristik von pneumatischen oder hydraulischen Systemen vergleichbar zu der eines Kühlaggregats ist, soll die Beschreibung des Gesamtsystem exemplarisch an einem Kompressors einer Kühleinrichtung erfolgen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(a) das Kühlaggregat oder die Hilfsaggregate mit einer vom Fahrantriebsmotor unabhängigen, thermisch drehzahlgeregelten Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung gekuppelt ist,
(b) mit der Hilfsantriebseinheit weiterhin eine elektrische Maschine gekoppelt ist, über die als Generator ein elektrischer Energiespeicher aufladbar ist und
(c) eine Drehzahlregelung vorgesehen ist, durch welche bei Lastschwankungen, die durch Einschalten des Kompressors auftreten, zur Konstanthaltung der Drehzahl der Hilfsantriebseinheit zusätzlich zu der thermischen Drehzahlregelung ein Zusatzmoment durch die elektrische Maschine und den elektrischen Energiespeicher erzeugbar ist.

Der Kompressor wird somit von einer von dem Fahrantriebsmotor unabhängigen Hilfsantriebseinheit angetrieben, nicht von dem Fahrantriebsmotor. Die Hilfsantriebseinheit ist eine Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung, also beispielsweise eine Expansionskraftmaschine, die mit Dampf von einem durch einen Brenner beheizten Dampferzeuger betrieben wird. Das Kühlaggregat kann daher auch arbeiten, wenn der Fahrantriebsmotor abgeschaltet ist. Die Hilfsantriebseinheit hat üblicherweise eine wesentlich geringere Leistung als der Fahrantriebsmotor. Die Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung ist umweltfreundlich. Der Brenner erzeugt kaum Schadstoffe, so daß die Hilfsantriebseinheit auch über längere Zeit bei stehendem Fahrzeug arbeiten kann. Die Drehzahl der Hilfsantriebseinheit wird normalerweise thermisch geregelt, d. h. zur Erhöhung der Drehzahl wird die Brennerleistung erhöht und über die Erhöhung der Drehzahl einer Speisepumpe die zugeführte Menge an Arbeitsmittel vergrößert. Es sind auch Hilfsantriebseinheiten mit äußerer Verbrennung bekannt, die nur über die Temperatur des Arbeitsgases geregelt werden, welche wiederum durch die zugeführte Wärmeleistung und den Druck des Arbeitsmediums bestimmt werden (http://www.stirling-engine.de/funktion.html). Solche thermischen Regelungen sind relativ träge. Bei Hilfsantrieben mit innerer Verbrennung erfolgt die Drehzahlregelung entweder durch die Menge des zugeführten Kraftstoffs (Qualitätsregelung) oder die Menge des Kraftstoffgemischs (Quantitätsregelung). Die Hilfsantriebseinheit treibt auch die elektrische Maschine, die im Normalbetrieb als Generator einen Ladestrom für die Batterie erzeugt.

Eine solche Hilfsantriebseinheit mit einer im Vergleich zum Fahrantriebsmotor üblicherweise geringen Leistung und träger thermischer Regelung erscheint zunächst nicht geeignet, einen Kompressor eines Kühlaggregats anzutreiben, der durch eine Temperaturregelung im Regelspiel ein- und ausgeschaltet wird und dabei erhebliche Lastsprünge an der Hilfsantriebseinheit hervorruft. Die thermische Regelung kann solchen Lastsprüngen nicht schnell genug folgen. Ein sprunghafter Lastanstieg führt dann zu einem starken Drehzahlabfall und könnte sogar zum Stillstand der Hilfsantriebseinheit führen. Es hat sich aber gezeigt, daß der Einsatz einer Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung zum Antrieb auch des geregelten Kompressors doch möglich ist, wenn die auch mit der Hilfsantriebseinheit gekuppelte elektrische Maschine bei einem durch Einschalten des Kompressors auftretenden Drehzahlabfall als Motor vorübergehend ein zusätzliches Drehmoment zum Antrieb des Kompressors ausbringt, bis die Leistung der Hilfsantriebseinheit über die Brennerleistung nachgeregelt ist. Umgekehrt wirkt bei einem sprunghaften Abschalten der Kompressor die elektrische Maschine als Generator und bremst die bei der erhöhten Brennerleistung sonst hochlaufende Hilfsantriebseinheit unter Erzeugung eines Ladestromes für den elektrischen Energiespeicher. Dadurch wird auch in diesem Fall die Drehzahl der Hilfsantriebseinheit konstant gehalten.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm einer Antriebsanordnung zum Antreiben eines Kühlaggregats, durch welches die Kabine eines Fahrzeugs temperaturgeregelt gekühlt wird, und einem zusätzlichen hydraulischen oder pneumatischen Hilfssystem.
2 ist ein Blockdiagramm der miteinander verknüpften Regelkreise für Drehzahl n der Hilfsantriebseinheit, Batteriespannung U_bat und Temperatur T in der klimatisierten Fahrerkabine.
3 ist ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs einer Lastmomentänderung, die durch Einschalten eines Kompressors auftritt, des von der Hilfsantriebseinheit aufgebrachten Moments und eines Zusatzmoments, das von der elektrischen Maschine aufgebracht wird.
4 zeigt die Parallelschaltung einer konventionellen Batterie mit einem Doppelschichtkondensator („Ultra Cap") anstelle der Batterie 34 in 3.
In 1 ist mit 10 eine Hilfsantriebseinheit (APU) bezeichnet. Die Hilfsantriebseinheit 10 enthält einen geschlossenen Kreis mit einem Tank 12 mit einem Arbeitsmedium, einer Speisepumpe 14, einem von einem Brenner beheizten Dampferzeuger 16, eine Expansionskraftmaschine 18, die von dem Dampf des Dampferzeugers 16 beaufschlagt ist, und einem Kondensator 20, der den Dampf vom Ausgang der Expansionskraftmaschine 18 kondensiert, wobei das kondensierte Arbeitsmedium, z.B. Wasser, in den Tank zurückgeleitet wird. Die Speisepumpe 14 fördert dabei das Arbeitsmedium in den Dampferzeuger 16. Zwischen dem Dampferzeuger 16 und der Expansionskraftmaschine 18 ist ein stetig arbeitendes Verteilerventil 22 angeordnet, durch welches der Dampf von dem Dampferzeuger 16 abhängig von der Stellung des Verteilerventils 22 nur auf eine zu der Expansionskraftmaschine 18 parallele Umgehungsleitung 24, mit stetigem Übergang sowohl auf die Umgehungsleitung 24 als auch auf die Expansionskraftmaschine oder nur auf die Expansionskraftmaschine 18 aufschaltbar ist.
An die Expansionskraftmaschine 18 ist einerseits eine elektrische Maschine 26 gekuppelt, die sowohl als Generator als auch als Elektromotor arbeiten kann. Zum anderen ist die Expansionskraftmaschine 18 mit einem Kompressor 28 eines Kühlaggregats 30 und einer Pumpe oder Kompressor 27 eines hydraulischen oder pneumatischen Hilfsaggregats 37 kuppelbar. Durch die elektrische Maschine 26 ist über eine drehzahlregelnde Leistungselektronik 32 ein Stromspeicher aufladbar, der beispielsweise eine mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitenden Batterie 34 eines Fahrzeugs 36 sein kann. Der Stromspeicher kann aber auch z.B. ein Doppelschichtkondensator der oben beschriebenen Art oder eine Kombination einer konventionellen Batterie mit einem oder mehreren solcher Doppelschichtkondensatoren sein. Nachstehend wird generell von einer Batterie 34 gesprochen. Die drehzahlregelnde Leistungselektronik 32 bewirkt, daß die elektrische Maschine 26 bei Ansteigen der Drehzahl der Expansionskraftmaschine 18 über einen Sollwert als Generator wirkt und ein Bremsmoment auf die Welle 38 der Expansionskraftmaschine 18 ausübt. Dabei wird der Batterie 34 ein Ladestrom zugeführt. Bei Unterschreiten des Sollwertes der Drehzahl wird die elektrische Maschine 26 als Motor betrieben und erzeugt ein zusätzliches Antriebsdrehmoment an der Welle 38. Das Kühlaggregat hält die Temperatur in der Fahrerkabine des Fahrzeugs auf einer vorgegebenen Temperatur.
In der Darstellung der Antriebseinheit ist mit Q ·_B die von dem (nicht dargestellten) Brenner zugeführte Wärmeleistung bezeichnet. Mit Q ·_C ist die Wärmeleistung bezeichnet, die in dem Kondensator 20 zur Kondensation des Arbeitsmediums abgeführt wird. Das kondensierte Arbeitsmedium wird durch eine Pumpe 40 in den Tank 12 gefördert. Mit 42 ist ein Antriebsmotor für die Speisepumpe 14 bezeichnet. Die elektrische Maschine 26 sitzt mit dem Kompressor 28 auf der gemeinsamen Welle 38.
2 ist ein Blockdiagramm und zeigt die miteinander verknüpften Regelkreise für die drei Regelgrößen, nämlich Drehzahl n_Welle der Welle 38 der Hilfsantriebseinheit 10, Batteriespannung U_Bat und Kabinentemperatur T 50.
Mit 44 ist die Fahrerkabine des Fahrzeugs 36 bezeichnet. Für diese Fahrerkabine 44 ist eine Solltemperatur T_soll 46 vorgegeben. Die vorgegebene Solltemperatur T_soll 46 liegt mit positivem Vorzeichen an einem Summierpunkt 48 an. Mit negativem Vorzeichen ist die gemessene Isttemperatur T 50 der Fahrerkabine 44 auf den Summierpunkt 48 aufgeschaltet. Der Summierpunkt 48 liefert die Regelabweichung ΔT 52 an einen Temperaturregler 54. Der Temperaturregler 54 liefert ein Reglerausgangssignal 56 an das Kühlaggregat 30, das als Stellglied des Temperatur-Regelkreises dient. Das Reglerausgangssignal für die Temperaturregelung ist üblicherweise ein Zweipunkt-Regelsignal, also ein Signal, durch welches der Kompressor 28 des Kühlaggregats 30 ein- oder ausgeschaltet wird.
Das Kühlaggregat 30 reagiert auf das Zweipunkt-Regelsignal 56 in zweifacher Weise: Bei Einschalten des Kompressors 30 erhöht sich das Lastmoment sprungartig; beim Ausschalten vermindert sich das Lastmoment entsprechend. Diese Erhöhung bzw. Verminderung des Lastmoments wirkt auf die Welle 38. Das ist in 2 durch Aufschaltung einer Größe M_komp 58 mit negativem Vorzeichen auf einen Summierpunkt 60 dargestellt. Weiterhin wird der Fahrerkabine 44 eine Wärmeleistung Q · 62 entzogen. Das ist in 2 durch Aufschaltung einer Größe Q · 62 mit negativem Vorzeichen auf einen Summierpunkt 64 dargestellt. Es ist hier angenommen, daß die Fahrerkabine 44 näherungsweise eine Übertragungsfunktion 1/s hat, d.h. daß die entzogene Wärmeleistung integriert die dadurch hervorgerufene Temperatur T liefert.
Bei Aktivierung eines hydraulischen oder pneumatischen Hilfssystems 37 wird durch die Pumpe oder Kompressor 27 ein zusätzliches Lastmoment M_p 104 auf die Welle 38 aufgebracht, was durch die negative Aufschaltung auf den Summierpunkt 60 dargestellt ist.
Mit 66 ist ein CHP-Steuergerät bezeichnet. Das Steuergerät 66 verknüpft die verschiedenen Regelkreise. Auf einen Eingang der des Steuergeräts ist die Drehzahl n_Welle 68 der Welle 38 aufgeschaltet. Es wird davon ausgegangen, daß die Übertragungsfunktion der Welle ebenfalls 1/s ist, d. h. die wirksamen Drehmomente von dem Summierpunkt 60 integriert zu einer Änderung der Drehzahl n_Welle 68 führen. An einem zweiten Eingang des Steuergeräts liegt die Temperaturdifferenz ΔT 52 an. Der dritte Eingang erhält von einem Laderegler 72 einen Sollwert 70 für die Ladeleistung, mit welcher die Batterie 34 geladen werden soll.
Das Steuergerät 66 hat vier Ausgänge, wovon drei auf die Hilfsantriebseinheit 10 geschaltet sind. Über diese Ausgänge werden die drei Stellgrößen an die Hilfsantriebseinheit 10 übergeben, die deren Betriebsparameter bestimmen. Die erste Stellgröße ist der Stellwinkel 74 des Verteilerventils 22. Über den zweiten Ausgang wird der Sollwert P_Brenner 76 der Brennerleistung übertragen. Die dritte Stellgröße ist der Sollwert der Drehzahl n_pumpe 78 des Motors 42 und der Speisewasserpumpe 14, die den Massenstrom durch den Dampferzeuger 16 bestimmt. Bei Hilfsantriebseinrichtungen mit Verbrennung äußerer Art, die nur durch die Brennerleistung und den Druck des Arbeitsgases geregelt sind, werden nur zwei Stellgrößen vom Steuergerät übermittelt. Bei APUs mit innerer Verbrennung bedarf es nur einer Stellgröße. Die Hilfsantriebseinheit 10 liefert dementsprechend ein Drehmoment M 82 und eine Wärmeleistung QQ · 84 als Abwärme. Das Drehmoment M 82 wirkt auf die Welle 38. Das ist dadurch dargestellt, daß eine Größe M 82 auf den Summierpunkt 60 mit positivem Vorzeichen aufgeschaltet ist.
Ein Block 92 in 2 stellt die elektrische Maschine 26 mit dem Laderegler 32 und der Batterie 34 dar. Ein vierter Ausgang des Steuergeräts 66 gibt einen Sollwertes M_Masch.soll 80 des Drehmomentes vor, das von der elektrischen Maschine 26 aufgenommen oder abgegeben werden soll. Dementsprechend wirkt an der elektrischen Maschine ein Drehmoment M_Masch· 88 als Last- oder Antriebsmoment. Es fließt ein Strom I_Masch 90 entweder als Ladestrom zu der Batterie 34 oder als Motorstrom von der Batterie 34 zu der elektrischen Maschine. Das ist in 2 dadurch dargestellt, daß eine Größe M_Masch 88 mit positivem Vorzeichen auf den Summierpunkt 60 aufgeschaltet ist, wobei als positiv ein Drehmoment gewertet wird, das von der als Motor arbeitenden elektrischen Maschine 26 auf die Welle 38 ausgeübt wird. Der Ladestrom I_Masch 90 verändert die Batteriespannung, wobei für die Batterie 34 wieder eine Übergangsfunktion 1/s angenommen ist.
Mit 96 ist der Kühler des Fahrzeugs 36 bezeichnet. Der Kühler 96 führt Wärme Q ·_Kühler 100 ab. Das ist durch einen Summierpunkt 94 dargestellt, auf den die Abwärme QQ · 84 der Hilfsantriebseinheit 10 mit positivem Vorzeichen und die von dem Kühler abgeführte Wärme mit negativem Vorzeichen aufgeschaltet ist. Die Summe vom Summierpunkt 94 ist mit positivem Vorzeichen auf den Summierpunkt 64 aufgeschaltet. Die Insassenkabine 98 gibt die Wärme
_Kabine 102 nach außen ab, welche deshalb mit negativen Vorzeichen auf den Summierpunkt 64 aufgeschaltet wird.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Die Hilfsantriebseinheit 10 wird mit den Parametern 74 76 78 so betrieben, daß sich eine bestimmte Drehzahl der Welle ergibt. Das von der Hilfsantriebseinheit aufgebrachte Drehmoment treibt die elektrische Maschine 26, so daß diese die Batterie 34 auf einer gewünschten Batteriespannung hält. Die Temperaturregelung erfolgt in Form einer Zweipunktregelung. Der Kompressor 28 des Kühlaggregats 30 sei zunächst abgeschaltet. Wenn nun eine vorgegebene Temperatur T 50 in der Fahrerkabine überschritten wird, die Regelabweichung ΔT 52 also ein bestimmtes Maß überschreitet, wird der Kompressor 28 des Kühlaggregats 30 angeschaltet. Es erfolgt dann eine sprunghafte Änderung des Lastmomentes um den Betrag M_Komp 58. Das erhöhte Lastmoment wirkt, wie im Summierpunkt 60 dargestellt, dem von der Hilfsantriebseinheit 10 erzeugten Antriebsmoment 82 entgegen. Dadurch fällt die Drehzahl n_Welle 68 der Welle 38 ab. Auch durch die Aktivierung eines hydraulischen oder pneumatischen Hilfsaggregats 37 und der damit einhergehenden Belastung der Hilfsantriebseinheit 10 durch das Moment M_p 104 der Pumpe oder des Kompressors 27 reduziert sich die Drehzahl der Welle. Die Änderungen von Brennerleistung P_Brenner 76 und Drehzahl n_Pumpe 78 der Speisepumpe 14 oder die Stellwinkel φ 74 des Ventils 22, die von dem Steuergerät 66 vorgegeben wird, bewirkt eine Erhöhung des von der Hilfsantriebseinheit 10 abgegebenen Drehmoments M 82. Diese Nachregelung des Drehmoments erfolgt aber thermisch und daher mit einer gewissen Trägheit. Das führt zu einem starken Absinken der Drehzahl n_Welle 68 und kann dazu führen, daß die Hilfsantriebseinheit 10 stehenbleibt.
Das Steuergerät initiiert daher ein zusätzlich wirkendes Antriebssollmoment M_Masch.soll 80 für die elektrische Maschine 26. Die elektrische Maschine 26 entnimmt daher Strom I_Masch 90 von der Batterie 34 und arbeitet als Motor. Sie unterstützt daher vorübergehend und mit geringerer Trägheit das langsamer ansteigende Antriebsdrehmoment M der Hilfsantriebseinheit 10. Durch die ausgleichende Regelung der Antriebs- und Abtriebsmomente bleibt die Drehzahl der Welle n_welle 68 im wesentliche konstant.
Das ist in 3 in einem M-t-Diagramm dargestellt: In Zeitpunkt t₁ wird plötzlich der Kompressor 28 zugeschaltet. Das Lastmoment, dargestellt durch die Kurve 110 steigt twischen t₁ und t₂ steil an. Das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit 10, dargestellt durch Kurve 112, steigt wesentlich langsamer und erreicht erst im Zeitpunkt t₃ seinen Höchstwert. Diese Verzögerung im Anstieg des Antriebsdrehmoments M der Hilfsantriebseinheit 10 wird kompensiert durch ein Drehmoment M_Masch, das von der elektrischen Maschine 26 abgegeben wird. Dieses Drehmoment ist durch die gestrichelte Kurve 114 dargestellt. Das Drehmoment M_Masch der elektrischen Maschine 26 steigt im Zeitraum von t₁ bis t₂ an und kompensiert so den langsameren Anstieg der Kurve 112. Die Summe der Antriebsmomente von Hilfsantriebseinheit 10 und elektrischer Maschine 26 steigt dann -positiv- mit der gleichen Steigung an wie das Lastmoment von Kurve 110. Die Summe ist durch die positive Kurve 116 dargestellt. Das Lastmoment M_Komp gemäß Kurve 110 bleibt dann konstant. Solange das Moment M der Hilfsantriebseinheit noch nicht im Zeitpunkt t₃ ihren Gleichgewichtswert erreicht hat, liefert die elektrische Maschine 26 noch ein Antriebsmoment. Dieses Antriebsmoment sinkt aber bis zum Zeitpunkt t₃ ab mit der negativen Steigung der Kurve 112. Wie dargestellt, schwingt das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit etwas über. Dementsprechend sinkt die Kurve 114 etwas unter die Nullinie ab. Man sieht, daß der Verlauf 86 des resultierenden Antriebsdrehmoments spiegelbildlich zu dem Verlauf 110 des Lastmomentes ist. Die Drehzahl n_Welle 68 der Welle 38 bleibt konstant.
Ein Unterschreiten der Nulllinie durch das Drehmoment der elektrischen Maschine 26 bedeutet, daß die elektrische Maschine 26 jetzt als Generator arbeitet. Dieser Generator bremst die Welle 38, stellt also auch ein Lastmoment dar, und liefert Strom I_Masch 90 an die Batterie 34.
3 zeigt auch den Fall, daß im Regelspiel der Temperaturregelung der Kompressor 28 abgeschaltet wird. Jetzt erfolgt in Kurve 110 ein relativ steiler Lastabfall zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅. Der Abfall des Antriebsdrehmomentes der Hilfsantriebseinheit 10 gemäß Kurve 112 erfolgt mit Verzögerung. Jetzt arbeitet die elektrische Maschine 26 als Generator und erzeugt in Kurve 114 ein Lastmoment. Das ist negativ in 3. Dieses Lastmoment steigt zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅ an. Kurve 114 fällt ab. Im Zeitpunkt t₅ wird das Lastmoment (Kurve 110) wieder konstant. Das Lastmoment der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine 26 fällt wieder ab und wird zum schwachen Antriebsmoment, wenn das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit 10 jenseits des Zeitpunktes t₅ absinkt aber dabei immer noch größer ist als das Lastmoment des Kompressors 28. Schließlich geht das Antriebsmoment der Hilfsantriebseinheit 10 gemäß Kurve 112 auch zu einem konstanten Wert über, wobei auch das Moment der elektrischen Maschine konstant wird. Auch hier ist sichergestellt, daß die Summe der Antriebsmomente spiegelbildlich dem Verlauf des durch die Zu- und Abschaltung des Kompressors hervorgerufenen Lastmoment folgt.
Es erfolgt also eine Temperaturregelung der Temperatur T 50 in der Fahrerkabine durch Ein- und Ausschalten des Kompressors 28. Die dabei infolge der Trägheit der Hilfsantriebseinheit 10 auftretenden Drehzahlschwankungen der Welle 38 werden über eine Drehzahlregelung herausgeregelt, deren Stellglied die elektrische Maschine 26 ist, welche entweder als Motor ein Antriebsdrehmoment oder als Generator ein zusätzliches Lastmoment erzeugt. Dadurch wird es möglich, für den Antrieb des Kühlaggregats 30 eine vom Fahrantriebsmotor unabhängige, schadstoffarme Hilfsantriebseinheit mit äußerer Verbrennung zu verwenden.
Wenn keine Lastsprünge zu kompensieren sind, arbeitet der Laderegler 72 in dem Regelkreis des CHP-Steuergeräts 66, elektrische Maschine 26 mit Elektronik 32, Batterie 34 und Laderegler 72 so, daß die Batteriespannung U_Batt auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Das hierzu erforderliche Antriebsmoment M_Masch 80 wird von der Hilfsantriebseinheit aufgebracht.
In 3 ist als Stromspeicher eine „Batterie" dargestellt. In manchen Fällen wird eine konventionelle, mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitende Batterie nicht ausreichen, hinreichend schnell die elektrische Energie für das erforderliche Drehmoment an dem als Motor arbeitenden Generator zur Verfügung zu stellen. Vorteilhafterweise enthält daher der Stromspeicher 34 einen Doppelschichtkondensator („Ultra Cap") der vorstehend geschilderten Art. Ein solcher Doppelschichtkondensator vermag wegen seines geringen Innenwiderstandes sehr schnell hohe Ströme zu liefern. Der Doppelschichtgenerator kann daher nicht nur hinreichend hohe Energie speichern sondern im Bedarfsfall auch in entsprechend kurzer Zeit hohe elektrische Leistungen liefern, um das erhöhte Drehmoment z.B. beim Anschalten des Kompressors 28 für die erforderliche Übergangszeit aufzubringen. In 4 ist eine konventionelle Batterie, z.B. ein Bleiakkumulator, 120 dargestellt, zu welcher ein Doppelschichtkondensator 122 parallel geschaltet ist. Diese Kombination übernimmt die Funktion von Block 34 in 3.

Claims

Antriebsanordnung für ein Hilfsaggregat (37) mit einer Pumpe bzw. Kompressor (27) oder für ein Kühlaggregat (30) mit einem Kompressor (28), das in einem mit einem Fahrantriebsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeug (36) angeordnet ist und Teil eines Temperaturregelkreises bildet, dadurch gekennzeichnet, daß (a) das Hilfsaggregat (27) oder Kühlaggregat (30) mit einer vom Fahrantriebsmotor unabhängigen, thermisch drehzahlgeregelten Hilfsantriebseiheit (10) mit äußerer Verbrennung gekuppelt ist, (b) mit der Hilfantriebseinheit (10) weiterhin eine elektrische Maschine (26) gekuppelt ist, über die als Generator ein Stromspeicher (34) aufladbar ist und (c) eine Drehzahlregelung vorgesehen ist, durch welche bei Lastschwankungen, die durch Einschalten des Kompressors oder Pumpe (27, 28) auftreten, zur Konstanthaltung der Drehzahl (n_Welle) der Hilfsantriebseinheit (10) zusätzlich zu der thermischen Drehzahlregelung ein Zusatzmoment durch die elektrische Maschine (26) und den Stromspeicher (34) erzeugbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspeicher eine mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitende Batterie (34) umfaßt.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspeicher eine Kondensatoranordnung hoher Kapazität umfaßt_:
Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung einen „Ultra Cap"-Kondensator enthält.
Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein „Ultra Cap"-Kondensator zu der mit chemischen Umsetzungen an Elektroden arbeitenden Batterie parallelgeschaltet ist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregelkreis einen Zweipunktregler (48) aufweist, durch welchen der Kompressor (28) ein- und ausschaltbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsantriebseinheit (10) einen geschlossenen Kreis mit einem Tank (20) von Arbeitsmedium, eine Speisepumpe (14) und einen durch einen Brenner beheizten Dampferzeuger (16), eine vom Dampf des Dampferzeugers (16) beaufschlagte Expansionskraftmaschine (18) und einen Kondensator (20) mit dem Tank (12) verbundenen aufweist, wobei die Speisepumpe (14) Arbeitsmedium aus dem Tank (12) in den Dampferzeuger (16) fördert.
Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein CHP-Steuergerät (66) vorgesehen ist, auf welche als Eingangsgrößen die Drehzahl (n_Welle 68) einer Welle (38) der Hilfsantriebseinheit (10), der Temperaturdifferenzwert (ΔT 52) und eine kommandierte Leistung (P_soll 70) von einem an der Batterie liegenden Laderegler (72) aufgeschaltet sind, und die als Ausgangsgrößen zur Steuerung der Hilfsantriebseinheit (10) einen kommandierten Stellwinkel (φ 74) des Ventils, eine kommandierte Brennerleistung (P_Brenner 76) und eine kommandierte Drehzahl (68) der Speisepumpe (14) auf die Hilfsantriebseinheit (10) und ein kommandiertes Drehmoment (M_Masch _soll 72) auf eine Leistungselektronik (32) der elektrischen Maschine (26) aufschaltet.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsantriebseiheit (10) nach dem Prinzip der inneren Verbrennung betrieben wird und die Drehzahlregelung quantitativer oder qualitativer Art ist.